反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案形式化建模研究*

范海雄，劉付顯，鄒志剛

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西西安 710051)

0 引言

彈道導(dǎo)彈憑借其高速運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)防御它的武器系統(tǒng)在作戰(zhàn)決策的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性方面提出了很大的挑戰(zhàn)。但由于彈道導(dǎo)彈整個(gè)飛行過(guò)程具有相對(duì)固定彈道，保衛(wèi)目標(biāo)和防御資源部署有重點(diǎn)、有選擇等特性，使得通過(guò)戰(zhàn)前作戰(zhàn)預(yù)案制定和戰(zhàn)時(shí)預(yù)案應(yīng)用等環(huán)節(jié)，來(lái)提高決策的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性成為一種有效的解決策略［1-2］。該策略中作戰(zhàn)預(yù)案是問(wèn)題解決的關(guān)鍵和首要條件。近年來(lái)，針對(duì)軍事領(lǐng)域作戰(zhàn)計(jì)劃(或方案)形式化建模和描述的研究，主要涉及海上編隊(duì)作戰(zhàn)［3］、作戰(zhàn)工程保障［4］、聯(lián)合作戰(zhàn)計(jì)劃［5］和空軍進(jìn)攻作戰(zhàn)計(jì)劃［6］等領(lǐng)域，應(yīng)用的建模方法和語(yǔ)言主要包括XML(extensible markup language)［6］，SysML(systems modeling language)［7］和UML(united modeling language)［8］等。

但目前專門針對(duì)反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案形式化建模的研究還很少，且現(xiàn)有文獻(xiàn)資料都將建模和驗(yàn)?zāi)Ｗ鳛橄嗷オ?dú)立的環(huán)節(jié)，忽略了建模過(guò)程中模型驗(yàn)證的必要性和實(shí)際意義。本文以反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案形式化建模的軍事需求為牽引，在分析反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案關(guān)鍵要素的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)建模語(yǔ)言(SysML)［9-10］，OWL_DL(web ontology language_description logic)［11］和基于案例標(biāo)記語(yǔ)言(case-basedmarkuplanguage，CBML)［12］等形式化建模語(yǔ)言和工具，研究了反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案形式化建模方法和模型一致性驗(yàn)證環(huán)節(jié)。

1 反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案形式化描述方法

1.1 現(xiàn)有方法問(wèn)題分析

根據(jù)所研究的作戰(zhàn)領(lǐng)域不同，現(xiàn)有文獻(xiàn)資料對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃和案例提出了相應(yīng)的形式化建模的流程及方法，但這些方法尚存在如下問(wèn)題:

(1)均以非完全形式化語(yǔ)言為建模基礎(chǔ)和描述工具，由于其缺乏精確的形式語(yǔ)義，所建模型各視圖間容易產(chǎn)生不一致性和冗余性［13］。

(2)作戰(zhàn)計(jì)劃和方案涉及因素種類眾多、關(guān)系復(fù)雜，對(duì)其建模是一項(xiàng)系統(tǒng)的工作，模型中存在的問(wèn)題完全靠系統(tǒng)工程師來(lái)發(fā)現(xiàn)和解決是一項(xiàng)不現(xiàn)實(shí)的工作［14］。且現(xiàn)有方法都將建模和驗(yàn)?zāi)Ｏ嗷シ蛛x，這無(wú)形中增加了建模和驗(yàn)?zāi)Ｈ藛T間的溝通環(huán)節(jié)，增加了模型構(gòu)建的時(shí)間，降低了建模的效率。

1.2 具有模型驗(yàn)證環(huán)節(jié)的建模方法設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，本文在分析總結(jié)現(xiàn)有形式化建模語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，采用SysML和CBML建模語(yǔ)言，并充分利用OWL_DL語(yǔ)言語(yǔ)義表達(dá)和邏輯推理能力，提出了一種具有模型一致性驗(yàn)證環(huán)節(jié)的預(yù)案形式化建模方法，其流程如圖1所示，具體包括以下步驟:

圖1 反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案形式化建模流程Fig.1 Antimissile preparative solution formal modeling flow

(1)預(yù)案概念因素分析

從分析反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案的應(yīng)用流程出發(fā)，研究反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案的關(guān)鍵要素，提煉與反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案相關(guān)的重要軍事概念，為下一步進(jìn)行反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案概念層建模奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)基于SysML的概念層建模

以SysML為建模工具，在定義預(yù)案概念及要素向SysML模型轉(zhuǎn)化規(guī)則的基礎(chǔ)上，構(gòu)建反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案概念的定義塊圖，界定各要素間關(guān)系，并確定要素所涉及的數(shù)據(jù)類型。

(3)基于OWL_DL本體的概念模型驗(yàn)證

以O(shè)WL_DL為本體描述語(yǔ)言，根據(jù)所給出的SysML塊定義圖向描述邏輯轉(zhuǎn)化的映射規(guī)則，構(gòu)建反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案概念本體模型，并應(yīng)用本體推理機(jī)進(jìn)行概念一致性驗(yàn)證。若模型不完善，則返回(2)修改概念模型;若完善，則進(jìn)入下一建模環(huán)節(jié)。

(4)基于CBML的預(yù)案邏輯層和物理層建模

以CBML為預(yù)案數(shù)據(jù)形式化表達(dá)的指導(dǎo)，在定義SysML向XML Schema轉(zhuǎn)化的影射規(guī)則的基礎(chǔ)上，構(gòu)建反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案的XML Schema文件，并以模式文檔結(jié)構(gòu)為依據(jù)，生成反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案形式化內(nèi)容文檔。

2 反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案分析

2.1 反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案及其應(yīng)用過(guò)程

定義1 反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案是指通過(guò)場(chǎng)景設(shè)定、初步方案設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證和評(píng)估優(yōu)化等環(huán)節(jié)得到，以傳感器任務(wù)規(guī)劃和火力任務(wù)規(guī)劃決策子方案為核心內(nèi)容，為反導(dǎo)作戰(zhàn)提供決策支持的關(guān)于反導(dǎo)作戰(zhàn)行動(dòng)實(shí)施的具體設(shè)想。

在實(shí)時(shí)反導(dǎo)作戰(zhàn)中，作戰(zhàn)管理系統(tǒng)依據(jù)來(lái)自預(yù)警衛(wèi)星和遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)等預(yù)警裝備的前期預(yù)警信息，確定彈道目標(biāo)的種類、數(shù)量、運(yùn)動(dòng)軌跡和預(yù)測(cè)落點(diǎn)等目標(biāo)特性，并根據(jù)這些信息和上級(jí)任務(wù)信息，在預(yù)案庫(kù)中迅速進(jìn)行預(yù)案匹配。在得到最相似預(yù)案的情況下，通過(guò)案例修改環(huán)節(jié)得到最終的作戰(zhàn)方案;若沒(méi)有對(duì)應(yīng)預(yù)案，則通過(guò)快速實(shí)時(shí)規(guī)劃和修改得到最終作戰(zhàn)方案，其具體應(yīng)用流程如圖2所示。

圖2 反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案應(yīng)用過(guò)程Fig.2 Antimissile preparative solution using process

2.2 反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案要素分析

作為實(shí)際行動(dòng)的具體設(shè)想，反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案與其他作戰(zhàn)方案和作戰(zhàn)計(jì)劃相比，其更加注重對(duì)于來(lái)襲目標(biāo)、上級(jí)任務(wù)、傳感器和火力單元決策規(guī)劃等要素的描述，主要包括如下幾個(gè)方面:

(1)預(yù)案說(shuō)明(Case_Annotation)

主要包括預(yù)案的編號(hào)、名稱、類型、制定的時(shí)間和單位等說(shuō)明，以此區(qū)別不同的預(yù)案，便于案例的應(yīng)用。

(2)上級(jí)任務(wù)(Superior_Tasks)

主要包括需要防御的重要點(diǎn)目標(biāo)和區(qū)域目標(biāo)的編號(hào)、主要威脅方向和防御等級(jí)等，用于描述反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案需要完成的上級(jí)指定任務(wù)。

(3)來(lái)襲目標(biāo)(Attack_Objectives)

主要包括目標(biāo)編號(hào)、類型和目標(biāo)特性等的描述，其中，目標(biāo)特性涉及發(fā)射點(diǎn)、預(yù)測(cè)落點(diǎn)、再入角、末速度、誘餌類型、突防和干擾方式等。

(4)作戰(zhàn)實(shí)體(Combat_Entities)

分為傳感器(制導(dǎo)雷達(dá)和預(yù)警雷達(dá)等)和火力單元(高低2層攔截武器系統(tǒng))2個(gè)子類，主要包括實(shí)體的編號(hào)、類型，部署情況、戰(zhàn)備狀態(tài)、實(shí)體關(guān)系(指揮、控制和通信等)、組織編成和戰(zhàn)技指標(biāo)(制導(dǎo)精度、殺傷概率、高低界、遠(yuǎn)近界、轉(zhuǎn)火時(shí)間、發(fā)射間隔)等。

(5)預(yù)期效果(Expectant_Effect)

用于描述預(yù)案能夠達(dá)到效果的期望結(jié)果，主要包括攔截概率和探測(cè)概率。

(6)傳感器規(guī)劃(Sensor_Programme)

是指根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、資源條件和規(guī)劃原則，對(duì)參與反導(dǎo)作戰(zhàn)傳感器實(shí)體的各任務(wù)環(huán)節(jié)進(jìn)行決策優(yōu)化，并輸出最優(yōu)傳感器任務(wù)序列。主要包括傳感器的部署、協(xié)同目標(biāo)探測(cè)跟蹤(探測(cè)時(shí)間、空間和協(xié)同原則)、協(xié)同識(shí)別(識(shí)別時(shí)機(jī)和融合方法)、制導(dǎo)引導(dǎo)方式以及與其他實(shí)體的交互關(guān)系等。

(7)火力規(guī)劃(Firepower_Programme)

是指對(duì)反導(dǎo)作戰(zhàn)火力單元實(shí)體的各任務(wù)環(huán)節(jié)進(jìn)行決策優(yōu)化，并輸出最優(yōu)火力攔截任務(wù)序列。主要包括火力單元部署、攔截策略、攔截方法(如:評(píng)估后攔截、邊評(píng)估邊攔截、下放攔截等)、目標(biāo)分配(攔截時(shí)機(jī)、火力/目標(biāo)編號(hào)等)、發(fā)射決策(包括發(fā)射方式、干預(yù)方式等)以及各單元之間組織交互關(guān)系等。

(8)最終效果(Effectivenss_Describe)

描述作戰(zhàn)預(yù)案結(jié)果和實(shí)際效能(傳感器協(xié)同效能和火力單元攔截效能)等。

3 反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案形式化描述

3.1 基于SysML的案例概念層建模

從預(yù)案匹配和修改等具體流程看，反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案應(yīng)用類似于基于案例推理(case-based reasoning，CBR)中案例的應(yīng)用過(guò)程。在CBR中案例的表示一般分為案例情景、解決方案和方案結(jié)果描述三大部分［15］。借鑒CBR系統(tǒng)中案例表達(dá)的方法，結(jié)合反導(dǎo)預(yù)案要素的特點(diǎn)，將整個(gè)反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案的結(jié)構(gòu)概括為:①預(yù)案注釋(即預(yù)案說(shuō)明);②預(yù)案情景描述(包括上級(jí)任務(wù)、來(lái)襲目標(biāo)、預(yù)期結(jié)果和作戰(zhàn)實(shí)體);③預(yù)案解決策略描述(包括火力任務(wù)規(guī)劃和傳感器任務(wù)規(guī)劃方案);④預(yù)案結(jié)果描述(即最終結(jié)果描述)。

為在SysML塊定義圖中正確表達(dá)反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案的要素及其關(guān)系，需要建立要素和塊定義圖元素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文定義并采用表1的對(duì)應(yīng)規(guī)則，將反導(dǎo)作戰(zhàn)要素在SysML塊定義圖中進(jìn)行描述，其具體如圖3所示。

3.2 基于OWL_DL的概念層模型驗(yàn)證

在建立反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案SysML塊定義圖模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)SysML作為一種半形式化建模語(yǔ)言，沒(méi)有精確的形式化語(yǔ)義，使所建模型中容易產(chǎn)生不一致性的缺點(diǎn)，本文采用OWL_DL語(yǔ)言建立反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案概念的本體模型，并進(jìn)行模型的語(yǔ)義一致性驗(yàn)證，其中，SysML塊定義圖向OWL_DL本體模型轉(zhuǎn)化的規(guī)則如表2所示。

表1 反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案要素和SysML塊定義圖的對(duì)應(yīng)規(guī)則Table 1 Corresponding rules of solution elements and SysML blocks

圖3 基于SysML塊定義圖的反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案描述Fig.3 Antimissile preparative solution description based on SysML block

為說(shuō)明基于OWL_DL的概念模型驗(yàn)證方法的有效性，以反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案中攔截打擊系統(tǒng)和來(lái)襲目標(biāo)相互關(guān)系的塊定義圖為例?，F(xiàn)假設(shè)兩者的關(guān)系如圖4所示，其中攔截打擊系統(tǒng)和來(lái)襲目標(biāo)各含有2個(gè)泛化關(guān)系。

圖4所示的關(guān)系結(jié)構(gòu)可用OWL_DL語(yǔ)言描述為:

High_Level_Anti-Missile_System?Interceptor_Kill_System

圖4 攔截系打擊系統(tǒng)和來(lái)襲目標(biāo)的相互關(guān)系Fig.4 Relation between anti-missile system and attack target

Low_Level_Anti-Missile_System?Interceptor_Kill_System

TBM?Attack_Objective

Aerodynamics_Objective?Attack_Objective

High_Level_Anti-Missile_System≡{Interceptor_Kill_System∩?intercept.TBM}

Low_Level_Anti-Missile_System≡{Interceptor_Kill_System∩?intercept.(Aerodynamics_Objective∪TBM)}

表2 SysML塊定義圖向OWL_DL本體轉(zhuǎn)換的映射規(guī)則Table 2 Corresponding rules of SysML blocks and OWL_DL ontology SysML

對(duì)上述關(guān)系應(yīng)用Racer推理機(jī)自帶一致性驗(yàn)證模式進(jìn)行驗(yàn)證，推理后彈出如圖5所示提示，表明高層反導(dǎo)武器系統(tǒng)在概念上存在不一致性。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，低層反導(dǎo)武器系統(tǒng)的概念涵蓋了高層反導(dǎo)武器系統(tǒng)的概念，即現(xiàn)有模型表達(dá)中兩者之間不是相互獨(dú)立的類屬關(guān)系，這與實(shí)際不符。在實(shí)際作戰(zhàn)中，高低兩層反導(dǎo)武器系統(tǒng)間的相互協(xié)同(cooperate)關(guān)系在模型定義中被忽略。

增加協(xié)同關(guān)系后的正確模型用OWL_DL語(yǔ)言描述為:

High_Level_Anti-Missile_System?Interceptor_Kill_System

Low_Level_Anti-Missile_System?Interceptor_Kill_System

TBM?Attack_Objective

Aerodynamics_Objective?Attack_Objective

High_Level_Anti-Missile_System≡{Interceptor_Kill_System∩?intercept.TBM∩?cooperate.Low_Level_Anti-Missile_System}

Low_Level_Anti-Missile_System≡{Interceptor_Kill_System∩?intercept.(Aerodynamics_Objective∪TBM)∩?cooperate.High_Level_Anti-Missile_System}

圖5 Racer推理機(jī)推理不一致結(jié)果提示Fig.5 Alarm result feedback by Racer

3.3 基于CBML的案例邏輯和物理層建模

反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案最終的應(yīng)用過(guò)程是面向作戰(zhàn)管理系統(tǒng)，需要一種便于計(jì)算機(jī)理解且具有良好文檔結(jié)構(gòu)特性的形式化描述語(yǔ)言，本文采用基于XML的案例標(biāo)記語(yǔ)言CBML，它將案例結(jié)構(gòu)和內(nèi)容分離，形成獨(dú)立文檔，用案例結(jié)構(gòu)文檔指導(dǎo)內(nèi)容文檔的結(jié)構(gòu)化生成過(guò)程，并驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的正確性。其中，結(jié)構(gòu)文檔是通過(guò)XML Scheme定義和轉(zhuǎn)化得到的，即應(yīng)用CBML進(jìn)行案例形式化描述的第一步是建立XML Scheme文檔。結(jié)合預(yù)案構(gòu)成要素特性，定義反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案SysML塊定義圖向XML Schema轉(zhuǎn)換的映射規(guī)則如表3所示。

表3 SysML塊定義圖向XML Schema轉(zhuǎn)換的映射規(guī)則Table 3 Corresponding rules of SysML blocks and XML Schema SysML

按照表3的規(guī)則，將圖3中的反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案概念層模型轉(zhuǎn)化為基于XML Scheme的邏輯模型，其在XMLSpy中的具體結(jié)構(gòu)如圖6所示(由于篇幅所限，只給出部分結(jié)構(gòu)圖)。

按照?qǐng)D6所示的XML Scheme文檔，利用XMLSpy中從xsd文檔自動(dòng)生成xml內(nèi)容的功能，生成的預(yù)案內(nèi)容文檔結(jié)構(gòu)，即反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案的物理層模型如下所示:

圖6 反導(dǎo)作戰(zhàn)案例XML Schema文檔結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Antimissile preparative solution XML Schema structure diagram

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前缺乏反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案形式化建模研究的現(xiàn)實(shí)需求，綜合應(yīng)用SysML，OWL_DL和CBML等形式化建模語(yǔ)言和工具，對(duì)反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案形式化建模方法進(jìn)行了研究。在分析反導(dǎo)作戰(zhàn)要素和具體應(yīng)用流程的基礎(chǔ)上，提出了一種新的預(yù)案形式化建模方法。依據(jù)新方法的具體流程，以SysML為中心，定義了塊定義圖、預(yù)案要素、OWL_DL和XML Scheme元素之間的映射規(guī)則，建立了反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案概念層模型、邏輯層模型、物理層模型和預(yù)案本體模型，并應(yīng)用預(yù)案本體模型對(duì)概念層模型了進(jìn)行了模型一致性驗(yàn)證。所提出的方法為解決反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案形式化建模開(kāi)辟了道路，所構(gòu)建的模型為進(jìn)一步研究反導(dǎo)作戰(zhàn)預(yù)案建模奠定了基礎(chǔ)。

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